Die zentrale Rolle von Siliciumdioxid (SiO2) in E-Glas

Siliciumdioxid (SiO2) spielt eine absolut zentrale und grundlegende Rolle inE-GlasSiliziumdioxid bildet die Grundlage für all seine hervorragenden Eigenschaften. Vereinfacht gesagt, ist Siliziumdioxid der „Netzwerkbildner“ oder das „Skelett“ von E-Glas. Seine Funktion lässt sich in folgende Bereiche unterteilen:

1. Ausbildung der Glasnetzwerkstruktur (Kernfunktion)

Dies ist die grundlegendste Funktion von Siliciumdioxid. Siliciumdioxid ist selbst ein glasbildendes Oxid. Seine SiO₄-Tetraeder sind über Brückensauerstoffatome miteinander verbunden und bilden so eine kontinuierliche, robuste und zufällige dreidimensionale Netzwerkstruktur.

• Analogie:Dies ist vergleichbar mit dem Stahlskelett eines im Bau befindlichen Hauses. Siliziumdioxid bildet das Hauptgerüst für die gesamte Glasstruktur, während andere Komponenten (wie Kalziumoxid, Aluminiumoxid, Boroxid usw.) die Materialien sind, die dieses Gerüst ausfüllen oder modifizieren, um die Eigenschaften anzupassen.
• Ohne dieses Siliciumdioxid-Gerüst kann kein stabiler glasartiger Zustand erreicht werden.

2. Bereitstellung einer hervorragenden elektrischen Isolationsleistung

• Hoher elektrischer Widerstand:Siliziumdioxid selbst weist eine extrem geringe Ionenmobilität auf, und die chemische Bindung (Si-O-Bindung) ist sehr stabil und stark, was die Ionisierung erschwert. Das von ihm gebildete, durchgehende Netzwerk schränkt die Bewegung elektrischer Ladungen stark ein, wodurch E-Glas einen sehr hohen spezifischen Volumen- und Oberflächenwiderstand erhält.
• Niedrige Dielektrizitätskonstante und geringe dielektrische Verluste:Die dielektrischen Eigenschaften von E-Glas sind bei hohen Frequenzen und Temperaturen sehr stabil. Dies ist hauptsächlich auf die Symmetrie und Stabilität der SiO₂-Netzwerkstruktur zurückzuführen, die zu einer geringen Polarisation und minimalen Energieverlusten (Umwandlung in Wärme) in einem hochfrequenten elektrischen Feld führt. Dadurch eignet es sich ideal als Verstärkungsmaterial in elektronischen Leiterplatten und Hochspannungsisolatoren.

3. Sicherstellung einer guten chemischen Stabilität

E-Glas weist eine ausgezeichnete Beständigkeit gegenüber Wasser, Säuren (mit Ausnahme von Fluorwasserstoffsäure und heißer Phosphorsäure) und Chemikalien auf.

• Inerte Oberfläche:Das dichte Si-O-Si-Netzwerk weist eine sehr geringe chemische Aktivität auf und reagiert nur schwer mit Wasser oder H+-Ionen. Daher ist seine Hydrolyse- und Säurebeständigkeit sehr gut. Dies gewährleistet, dass mit E-Glasfasern verstärkte Verbundwerkstoffe ihre Leistungsfähigkeit auch unter rauen Umgebungsbedingungen langfristig beibehalten.

4. Beitrag zur hohen mechanischen Festigkeit

Obwohl die endgültige Stärke vonGlasfasernwird auch stark von Faktoren wie Oberflächenfehlern und Mikrorissen beeinflusst, ihre theoretische Festigkeit beruht größtenteils auf den starken Si-O-kovalenten Bindungen und der dreidimensionalen Netzwerkstruktur.

• Hohe Bindungsenergie:Die Bindungsenergie der Si-O-Bindung ist sehr hoch, was das Glasgerüst selbst extrem robust macht und der Faser eine hohe Zugfestigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul verleiht.

5. Verleihung idealer thermischer Eigenschaften

• Niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient:Siliziumdioxid selbst besitzt einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Da es als Hauptbestandteil des E-Glases dient, weist auch dieses einen relativ niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Dies bedeutet, dass es bei Temperaturänderungen eine gute Dimensionsstabilität aufweist und weniger anfällig für übermäßige Spannungen durch Wärmeausdehnung und -kontraktion ist.
• Hoher Erweichungspunkt:Der Schmelzpunkt von Siliciumdioxid ist extrem hoch (ca. 1723 °C). Obwohl die Zugabe anderer Flussmitteloxide die endgültige Schmelztemperatur von E-Glas senkt, gewährleistet sein SiO₂-Kern dennoch einen ausreichend hohen Erweichungspunkt und eine ausreichende thermische Stabilität, um die Anforderungen der meisten Anwendungen zu erfüllen.

In einem typischenE-GlasBei der Zusammensetzung beträgt der Siliciumdioxidgehalt üblicherweise 52–56 Gew.-%, womit er den größten Anteil am Gesamtoxid ausmacht. Er bestimmt die grundlegenden Eigenschaften des Glases.

Arbeitsteilung der Oxide im E-Glas:

• SiO2​(Siliciumdioxid): Hauptskelett; bietet strukturelle Stabilität, elektrische Isolation, chemische Beständigkeit und Festigkeit.
• Al2O3(Aluminiumoxid): Hilfsnetzwerkformer und -stabilisator; erhöht die chemische Stabilität und die mechanische Festigkeit und verringert die Entglasungsneigung.
• B2O3(Boroxid): Fluss- und Eigenschaftsmodifikator; senkt die Schmelztemperatur deutlich (Energieeinsparung) und verbessert gleichzeitig die thermischen und elektrischen Eigenschaften.
• CaO/MgO(Calciumoxid/Magnesiumoxid): Flussmittel und Stabilisator; unterstützt das Schmelzen und reguliert die chemische Beständigkeit und die Entglasungseigenschaften.